PCBInside

  디커플링이란 커플링(coupling)이 되지 않도록 하는 것이다. Coupling이란 결합한다는 뜻이므로, decoupling은 분리한다는 뜻이다. 무엇을 분리한다는 것일까? Power에 섞여 있는 noise를 분리해 낸다는 것이다. 파워에는 저주파 노이즈나 고주파 노이즈가 끼어 있을 수 있다. 노이즈가 발생하는 원인은 전원회로와 PDN이 이상적이지 않기 때문이다. 즉 부하에서 원하는 전류에 대응하지 못하기 때문에 파워가 출렁거려서 나타나는 현상이 노이즈 이다(외부에서 유인된 경우는 제외). 이러한 노이즈는 동적인 전류가 흐르는 곳에서 유발이 되므로, 노이즈 원은 전원 회로 혹은 부하가 될 수 있다. 노이즈 원에서 발생한 노이즈는 다른 곳으로 커플링 되기 전에 바로 그 곳에서 없어지도록 해결하는 것이 가장 좋고, 그렇게 하는 것이 디커플링이다. 따라서 디커플링 캐퍼시터는 노이즈원에 최대한 가깝게 위치해 있는 것이 좋다. 디커플링 캐퍼시터는 파워에서 발생한 노이즈 성분을 그라운드로 빼주는 역할을 한다. 그래서 노이즈 원에서 발생한 노이즈가 파워의 다른 깨끗한 부분으로 넘어가지 않도록 차단하는 역할을 한다. 노이즈는 어디서 유발되었는지에 따라서 특정한 주파수 성분을 가지고 있으므로, 효과적으로 노이즈를 제거하기 위해서는 노이즈 주파수와 가까운 공명 주파수를 갖는 캐퍼시터를 사용하는 것이 바람직하다.

  디커플링과 유사한 것으로 바이패스(bypass)라는 것이 있다. 바이패스는 신호가 흐르는 루프를 구성하는 하나의 요소로 신호를 우회시키는 것이다. 만약에 바이패스 캐퍼시터가 없다면 신호가 어떤 다른 경로를 찾으면서 큰 임피던스 불연속을 경험하게 되는 경우가 있다. 이런 경우 신호에 왜곡이 발생할 것이다. 바이패스는 좀 더 작은 임피던스의 경로를 제공해서 신호의 품질을 유지시켜 준다. 따라서 바이패스 캐퍼시터는 신호를 통과시키기에 적절한 공명주파수를 가지고 있는 것이 좋으며, PCB에서 물리적인 위치는 신호선 주변이어야 한다. 좀 더 정확히 하자면 드라이버 칩의 power 혹은 ground 핀 주변이어야 한다(혹은 레퍼런스가 바뀌는 부분에서 사용할 수도 있다). 바이패스와 디커플링은 목적에 분명한 차이가 있지만, 둘 다 사용되는 위치와 효과가 비슷해서 유사한 역할을 한다.

Impedance (임피던스)

임피던스는 여러 가지 방법과 말로 표현할 수 있지만 전송선에서 임피던스는 ‘전류에 대한 전압의 비’라고 표현하는 것이 가장 적절하다. 즉 어떤 도체(혹은 소자)에 전류를 흘리면 그 도체 (혹은 소자)에 걸리는 전압의 비를 말하는 것이다.

Z = V / i

따라서 impedance가 일정하다면, 일정한 전류에 대해서 항상 일정한 전압이 유지 된다. 위 그림은 저항 기호로 표시되어 있는데, 이것은 PCB의 trace 일수도 있고 부하일 수도 있고 전류가 흐를 수 있는 그 어떤 것이라도 된다. 임피던스가 변한다는 것은 같은 전류를 흘렸을 때 거기에 걸리는 전압이 변한다는 것을 의미한다. 이것이 우리가 PCB를 만들 때 임피던스를 컨트롤하는 이유이다. 신호를 전달하는 경로의 임피던스가 균일하지 않으면 신호에 의해 걸리는 전압이 균일하지 않게 되는 것을 의미하고 이것이 바로 신호의 왜곡이며 노이즈이다.

임피던스는 R + X 이다. 신호가 전달되는 도체도 R + X 의 형태로 표현할 수 있는데, R은 값이 매우 작기 때문에 무시하면, 결국 임피던스는 신호를 전달하는 도체의 리액턴스 성분으로 표현이 될 수 있다.

위 그림은 마이크로스트립의 예 인데, 마이크로스트립 뿐만 아니라 다른 경우도 위 그림의 오른쪽과 같이 모델링을 할 수 있다. 위 모델을 계산하면 임피던스는 다음과 같은 식과 같이 된다.

Reflection (반사)

 임피던스가 균일하면 전류에 대한 전압의 비가 일정하다. 즉 신호는 모두 원래 진행하던 방향으로 진행을 한다. 그런데, 임피던스가 바뀌게 되면 그 경계면에서 신호의 일부가 반사되어 원래의 진행 방향과 반대 방향으로 되돌아가고 나머지 신호 성분이 원래 진행하던 방향으로 진행을 한다. 여기서, 반사되는 정도를 나타내는 것이 반사계수이다.

ρ = V_reflected/V_incident = (Z₂ - Z₁)/(Z₂ + Z₁)

 Z₂와 Z₁이 같다면(matching 된다면) ρ = 0 이 된다. 즉, 반사는 전혀 일어나지 않고 모두 전송된다. 따라서 V_transmitted = V_incident 이다.

 Z₂ = 0 Ω 인 경우(short)에는 ρ = -1 이 된다. 1은 모두 반사되는 것을 의미하고 negative sign은 amplitude가 반대 방향이라는 의미 이다. 따라서, V_reflected = -V_incident 이고, 경계 면에서는 V_incident 와 V_reflected(= -V_incident)가 더해져서 0 이 된다.

 Z₂ < Z₁ 인 경우에, 반사 계수는 항상 negative sign을 갖는다. 즉 경계 면에서 V는 입사된 V보다 작아진다.

 Z₂ > Z₁ 인 경우에, 반사 계수는 항상 positive가 되어. 즉 경계 면에서 V는 입사된 V보다 커지게 된다.

 Z₂ = ∞ Ω 인 경우에는 ρ = 1 이 된다. 즉 전반사가 된다. V_reflected = V_incident 이므로, 경계 면에 V = 2 x V_incident 가 된다.

 여기서, 경계면 양 쪽의 구간은 신호의 주파수에 비해서 충분히 길다고 가정 한다.